IMR、iDose4及FBP結(jié)合不同管電壓冠狀動(dòng)脈CT成像的實(shí)驗(yàn)研究

蔣駿，雷益，溫紅，林一欽，黃美萍，陳子滿

[1.深圳市第二人民醫(yī)院（深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院） 醫(yī)學(xué)影像科，廣東 深圳 518000；2.惠州市中心人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像部，廣東 惠州 516000；3.廣東省人民醫(yī)院 心導(dǎo)管室，廣東 廣州 510030；4.中山大學(xué)附屬第五醫(yī)院 超聲醫(yī)學(xué)科，廣東 珠海 519000]

冠狀動(dòng)脈CT 成像應(yīng)用越來(lái)越普遍，既降低輻射劑量又滿足診斷需求具有重大臨床意義。傳統(tǒng)的濾波反投影（filtered back projection,FBP）圖像重建速度快、穩(wěn)定，但對(duì)噪聲敏感，降低輻射空間有限[1]。高級(jí)混合迭代重建（iDose4）是第4 代重建算法，可降低圖像噪聲和X 射線輻射[2]；全模型迭代重建（iterative model reconstruction,IMR）是在iDose4上的又一個(gè)飛躍，但國(guó)內(nèi)外多為應(yīng)用于胸腹部的報(bào)道[3-5]。本研究以豬為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，比較IMR、iDose4及FBP 對(duì)不同管電壓條件下前瞻性心電門(mén)控冠狀動(dòng)脈多層螺旋CT 成像質(zhì)量的影響，探討IMR 在冠狀動(dòng)脈CT 成像中提高圖像質(zhì)量，降低輻射劑量的應(yīng)用價(jià)值，為臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選用健康小型豬5 只，其中雌性4 只，雄性1 只；豬齡300～400 d；體重37～42 kg，平均（39.5± 2.00）kg；平均胸圍（50.20±0.57）cm。螺旋CT檢查前基礎(chǔ)麻醉肌內(nèi)注射氯胺酮10 mg/kg+地西泮0.4 mg/kg，維持麻醉用耳緣靜脈注入丙泊酚10 mg/kg。檢查前預(yù)留好靜脈留置針。每次掃描前可適當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物按情況適量增加麻醉劑量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要密切注意實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的心肺功能，盡量避免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生意外，單天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后送回飼養(yǎng)點(diǎn)控制體重喂養(yǎng)，下次實(shí)驗(yàn)時(shí)再?gòu)娘曫B(yǎng)點(diǎn)運(yùn)送過(guò)來(lái)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.2 方法

1.2.1 檢查方法 采用荷蘭Philips 公司的Brilliance 256 層CT 掃描儀行前瞻性心電門(mén)控增強(qiáng)掃描。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物仰臥固定于掃描床上，掃描范圍自主動(dòng)脈弓水平至左膈面下2 cm，由頭側(cè)向足側(cè)掃描。掃描延遲時(shí)間的確定采用對(duì)比劑示蹤法，注射對(duì)比劑后7 s 跟蹤監(jiān)測(cè)，將感興趣區(qū)設(shè)在降主動(dòng)脈處，閾值為180 HU，觸發(fā)后延遲7 s 開(kāi)始掃描。同一只豬每2 次掃描間經(jīng)過(guò)一段洗脫期（此期間一直靜脈滴注生理鹽水，及時(shí)更換導(dǎo)尿袋，每次平掃間隔時(shí)間不斷延長(zhǎng)至與前次平掃測(cè)量部位血管內(nèi)CT 值相近，防止造影劑稽留）直至全部掃描完成。

1.2.2 掃描參數(shù) 管電壓分別為120 kV、100 kV 及80 kV，分別作為A、B 和C 組。其中A 組為常規(guī)劑量掃描。各組管電流120 mAs，準(zhǔn)直128 層×0.625 mm，螺距0.18 mm，管球旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.27 s/r，重組間隔0.625 mm。CT 檢查中降心率藥物為艾斯洛爾，由獸醫(yī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)豬心率情況給予適當(dāng)劑量靜脈推注，推注過(guò)程中觀察心率變化，目標(biāo)心率70 次/min，實(shí)際檢查中控制心率58～86 次/min，當(dāng)達(dá)到或接近目標(biāo)心率后及時(shí)啟動(dòng)增強(qiáng)掃描。經(jīng)耳緣靜脈留置針用雙筒高壓注射器注入非離子對(duì)比劑（歐乃派克，350 mg/ml，美國(guó)GE 藥業(yè)公司，注射總量50 ml）+生理鹽水20 ml，注射流率3.5 ml/s。

1.2.3 圖像后處理 對(duì)所有原始數(shù)據(jù)分別用FBP、iDose4（Level 4 級(jí)）及IMR（Routine 2 級(jí)）重建方法進(jìn)行處理，形成A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2 及C3 圖像。在心動(dòng)間期的40%、45%、50%，或70%、75%、80%時(shí)進(jìn)行圖像重建，篩選出質(zhì)量最佳的圖像進(jìn)行后處理，圖像重組方法包括：容積再現(xiàn)、多平面重建。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1 客觀評(píng)價(jià) 將3 種不同重建算法所得圖像同時(shí)調(diào)入Philip 工作站，使用同一屏幕，采用原始軸位圖像，對(duì)各組圖像在相同層面同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在主動(dòng)脈根部層面測(cè)量?jī)蓚?cè)豎脊肌中央的CT 值（記為SI），感興趣區(qū)取（100±1）mm2，噪聲定義為測(cè)量CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差，左、右各重復(fù)測(cè)量3 次，取其平均值。信噪比（signal to noise ratio,SNR）定義為左主干開(kāi)口處主動(dòng)脈CT 值與其標(biāo)準(zhǔn)差的比值，上下層面重復(fù)3 次，取其平均值，測(cè)量中要盡量避開(kāi)主動(dòng)脈瓣的影響。對(duì)比噪聲比（contrast-to-noise ratio,CNR）定義為主動(dòng)脈根部CT 值與豎脊肌CT 值的差與豎脊肌標(biāo)準(zhǔn)差的商。所有的測(cè)量由1 位有經(jīng)驗(yàn)的心血管影像學(xué)醫(yī)師 完成。

1.3.2 主觀評(píng)價(jià) 對(duì)豬冠狀動(dòng)脈采取9 段分段法，由2 位具有≥5年冠狀動(dòng)脈CT 閱片經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師采用雙盲法分別對(duì)9 組圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)評(píng)分結(jié)果行一致性組間檢驗(yàn)，其中1 位醫(yī)師對(duì)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)前后間隔4 個(gè)星期，將2 次結(jié)果行一致性組內(nèi)檢驗(yàn)。采用5 分法評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈圖像，1 分：血管圖像質(zhì)量差，對(duì)比度差，偽影重，血管錯(cuò)層，不能評(píng)估。2 分：血管圖像較差，邊緣模糊不清，偽影較重，管腔不均質(zhì)。3 分：血管圖像邊緣模糊，管腔內(nèi)欠均質(zhì)，有偽影，噪聲大，但尚能接受。4 分：血管圖像對(duì)比度可，邊緣較清晰，管腔內(nèi)質(zhì)地均勻，偽影少，噪聲小。5 分：血管圖像對(duì)比度佳，邊緣清晰銳利，管腔內(nèi)質(zhì)地均勻，無(wú)偽影[6]。≥3 分為滿足臨床診斷需要圖像，其中 3 分為基本滿足診斷要求，≥4 分為圖像優(yōu)良。

1.3.3 輻射劑量計(jì)算 本實(shí)驗(yàn)僅統(tǒng)計(jì)增強(qiáng)后冠狀動(dòng)脈CT 血管造影輻射劑量，定位圖及平掃未納入統(tǒng)計(jì)范圍。由計(jì)算機(jī)計(jì)算出增強(qiáng)掃描序列的CT 劑量容積指數(shù)及劑量長(zhǎng)度乘積。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，比較用方差分析，進(jìn)一步兩兩比較用LSD-t檢驗(yàn)；等級(jí)資料以等級(jí)表示，比較用秩和檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 各組不同條件下CT 值比較

A、B、C 組FBP、iDose4及IMR 重建的圖像CT值比較，經(jīng)方差分析，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；各重建方法不同管電壓條件下的CT 值比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），進(jìn)一步兩兩比較，120 kV 低于100 kV（P＜0.05），100 kV 低于80 kV（P＜0.05）。重建方法對(duì)主動(dòng)脈CT 值不構(gòu)成影響，主動(dòng)脈CT 值的大小與管電壓有關(guān)，且隨管電壓下降，主動(dòng)脈CT 值升高。見(jiàn)表1、2 和圖1A。

2.2 各組不同條件下噪聲比較

A、B、C 組FBP、iDose4、IMR 重建的圖像噪聲比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），進(jìn)一步兩兩比較，F(xiàn)BP 大于iDose4（P＜0.05），iDose4高于IMR（P＜0.05）。各重建方法不同管電壓條件下噪聲比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），進(jìn)一步兩兩比較，120 kV 低于100 kV（P＜0.05），100 kV 低于80 kV（P＜0.05）（見(jiàn)表1、2 和圖1B）。80 kV 條件下的IMR 重建圖像（C3）與120 kV 條件下FBP（A1）、iDose4重建圖像（A2）的噪聲比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），IMR 小于FBP、iDose4（P＜0.05）（見(jiàn)表3）。噪聲與管電壓有關(guān)，隨電壓減低，噪聲升高，其中FBP 重建方法受管電壓影響最大，噪聲升高斜率最高，IMR 隨電壓變化噪聲斜率最低。噪聲與重建方法有關(guān)，同一管電壓下，IMR 重建噪聲最小，F(xiàn)BP 噪聲最大。

2.3 各組不同條件下SNR 比較

A、B、C 組FBP、iDose4、IMR 重建的圖像SNR比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），進(jìn)一步兩兩比較，F(xiàn)BP 低于iDose4（P＜0.05），iDose4低于IMR（P＜0.05）（見(jiàn)表1和圖1C）。IMR 重建的80 kV 圖像（C3）與120 kV 條件下FBP（A1）、iDose4重建圖像（A2）的SNR 比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），IMR 高于FBP、iDose4（P＜0.05）（見(jiàn) 表3）。SNR 與電壓有關(guān)，F(xiàn)BP、iDose4重建下隨電壓的下降SNR 下降，在80 kV 時(shí)最低；IMR 重建下電壓100 kV 時(shí)SNR 最低。主要是因?yàn)?，電壓下降，噪聲上升，主?dòng)脈CT 值亦上升，所以兩者的比值SNR 變化幅度較小。

2.4 各組不同條件下CNR 比較

A、B、C 組FBP、iDose4、IMR 重建圖像CNR比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），進(jìn)一步兩兩比較，F(xiàn)BP 低于iDose4（P＜0.05），iDose4低于IMR（P＜0.05）。各重建方法不同管電壓條件下的圖像CNR 比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）（見(jiàn)表1、2 和圖1D）IMR 重建的80 kV 圖像與120 kV 條件下FBP（A1）、iDose4重建圖像（A2）的CNR 比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），IMR 高于FBP、iDose4（P＜0.05）（見(jiàn)表3）。CNR 與電壓關(guān)系不大，在同一種電壓條件下，IMR 重建的CNR 最好，iDose4其次，F(xiàn)BP 最差。

表1 不同管電壓條件下FBP、iDose4 及IMR 重建方法的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

表1 不同管電壓條件下FBP、iDose4 及IMR 重建方法的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

組別 CT 值/HU 噪聲/HU SNR CNR A 組 FBP 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 iDose4 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 IMR 485.40±26.12 11.80±2.17 37.49±5.37 37.52±6.95 F 值 0.055 43.912 86.324 57.291 P 值 0.946 0.000 0.000 0.000 B 組 FBP 646.40±80.07 59.40±7.92 8.81±1.98 10.09±2.47 iDose4 651.60±81.65 37.40±7.77 14.77±1.94 16.61±5.26 IMR 646.40±80.07 13.60±1.51 31.83±1.99 42.54±6.99 F 值 0.033 89.749 184.242 53.493 P 值 0.968 0.000 0.000 0.000 C 組 FBP 827.00±59.74 88.00±6.78 5.62±1.09 8.85±1.19 iDose4 820.00±78.69 63.70±9.82 9.55±2.41 12.23±2.84 IMR 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 0.374 179.724 33.268 28.413 P 值 0.696 0.000 0.000 0.001

表2 FBP、iDose4 及IMR 條件下不同管電壓的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

表2 FBP、iDose4 及IMR 條件下不同管電壓的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

重建方法 CT 值/HU 噪聲/HU SNR CNR FBP 120 kV 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 100 kV 646.40±80.07 59.40±7.92 8.81±1.98 10.09±2.47 80 kV 827.00±59.74 88.00±6.78 5.62±1.09 8.85±1.19 F 值 38.618 33.054 10.065 0.625 P 值 0.000 0.000 0.003 0.552 iDose4 120 kV 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 100 kV 651.60±81.65 37.40±7.77 14.77±1.94 16.61±5.26 80 kV 820.00±78.69 63.70±9.82 9.55±2.41 12.23±2.84 F 值 28.783 24.113 9.664 1.635 P 值 0.000 0.000 0.003 0.236 IMR 120 kV 485.40±26.12 11.80±2.17 37.49±5.37 37.52±6.95 100 kV 646.40±80.07 13.60±1.51 31.83±1.99 42.54±6.99 80 kV 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 40.151 18.152 1.244 0.672 P 值 0.000 0.000 0.323 0.529

圖1 各組不同條件下CT 值、噪聲、SNR 及CNR 比較 （n =5，±s）

2.5 各組圖像質(zhì)量比較

對(duì)5 只健康豬共45 段冠狀動(dòng)脈進(jìn)行評(píng)價(jià)，所有冠狀動(dòng)脈未見(jiàn)狹窄及鈣化，均納入評(píng)價(jià)范圍。前后2次評(píng)價(jià)一致性良好（κ=0.805，P=0.000），2 次評(píng)價(jià)組間一致性良好（κ=0.826，P=0.000）。各重建方法圖像質(zhì)量主觀評(píng)分比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（見(jiàn)表4）。A、B、C 組不同重建方法下≥4 分血管比例比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），IMR 圖像為優(yōu)良的血管段比例最高，F(xiàn)BP 圖像質(zhì)量最差（見(jiàn) 表5）。不同重建方法下冠狀動(dòng)脈近段80 kV 中≥4分血管比例比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；不同重建方法下冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)段80、100 kV 中≥4 分血管比例比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），IMR 對(duì)遠(yuǎn)段血管的顯示較其他2 種方法優(yōu)勢(shì)明顯（見(jiàn)表6和 圖2、3）。

2.6 各組輻射劑量比較

由于豬體重指數(shù)及輻射吸收劑量缺失，很難給予確切的吸收劑量，本文以劑量長(zhǎng)度乘積來(lái)比較。A、B、C 組CT 劑量容積指數(shù)、劑量長(zhǎng)度乘積的比較，經(jīng)方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。C 組輻射劑量?jī)H為A 組的33.68%。見(jiàn)表7。

表3 A1、A2、C3 圖像的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

表3 A1、A2、C3 圖像的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

圖像 CT 值/HU 噪聲/HU SNR CNR A1 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 A2 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 C3 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 97.219 22.574 26.897 29.584 P 值 0.000 0.000 0.001 0.000

表4 不同重建方法下各組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分比較

表5 各組不同重建方法下≥ 4 分血管比例比較 [n =45，例（%）]

表6 不同重建方法下冠狀動(dòng)脈近段、遠(yuǎn)段≥4 分血管的比例比較 [n =20，例（%）]

圖2 不同重建方法下冠狀動(dòng)脈近段、遠(yuǎn)段主觀圖像

圖3 不同重建方法下冠狀動(dòng)脈主觀圖像

表7 各組輻射劑量比較 （n =5，±s）

表7 各組輻射劑量比較 （n =5，±s）

組別 劑量容積指數(shù) 劑量長(zhǎng)度乘積A 組 23.14±0.23 335.98±20.75 B 組 14.44±0.22 238.14±29.25 C 組 7.84±0.11 114.66±7.07 F 值 7866.232 138.091 P 值 0.000 0.000

3 討論

冠狀動(dòng)脈CT 成像已經(jīng)成為診斷和評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈疾病一種重要的無(wú)創(chuàng)手段，降低其輻射劑量具有重要的臨床意義。CT 原始數(shù)據(jù)的重組算法主要有FBP 及迭代重建兩大類。傳統(tǒng)的FBP 降低輻射劑量幅度有限，因其假定投影數(shù)據(jù)是無(wú)噪聲的，當(dāng)X 射線劑量降低時(shí)，重建出的圖像噪聲會(huì)明顯增大[7]。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，迭代重建的價(jià)值逐漸受到臨床肯定[7-9]。iDose4作為第4 代重建算法，通過(guò)在投影空間和圖像空間進(jìn)行基于噪聲模型和解剖模型系統(tǒng)的迭代運(yùn)算，降低圖像噪聲[2]；IMR 是飛利浦新一代迭代重建算法，結(jié)合了以下4 個(gè)平臺(tái)：解剖幾何形態(tài)學(xué)重建平臺(tái)、以X 射線衰減特性設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型、強(qiáng)化器官本身固有特性的優(yōu)化功能，以及以強(qiáng)化目標(biāo)病變的特性為臨床目標(biāo)的平臺(tái)，與iDose4相比增加了后2 個(gè)平臺(tái)[9]。

本研究結(jié)果顯示iDose4重建算法較FBP 降低圖像噪聲效果更好，這與既往報(bào)道一致[10]。本研究還顯示IMR 降噪效果明顯強(qiáng)于iDose4，在80 kV 條件下IMR 重建的圖像噪聲仍較120 kV 條件下FBP 重建的圖像噪聲小，亦較iDose4重建的圖像噪聲小。IMR 重建的圖像SNR、CNR 在各管電壓組內(nèi)亦均較FBP 及iDose4高。

既往研究報(bào)道，在冠狀動(dòng)脈低電壓80 kV 掃描結(jié)合iDose4可獲得與常規(guī)掃描相仿的圖像質(zhì)量[11]。而本研究顯示，IMR 重建方法較iDose4更優(yōu)秀。使用80 kV 管電壓掃描，輻射劑量降低約66%，用IMR 重建后其圖像質(zhì)量卻仍優(yōu)于常規(guī)120 kV 條件下的FBP及iDose4重建圖像，80 kV 條件下IMR 重建的主觀圖像優(yōu)良率高于120 kV 條件下FBP 及iDose4。本研究還發(fā)現(xiàn)，IMR 在顯示冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)段血管時(shí)較FBP 和iDose4優(yōu)勢(shì)尤為顯著，這在既往研究中鮮被提及[12-13]。在80 kV 條件下，F(xiàn)BP 和iDose4重建的冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)段主觀圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良率均為0%，而用IMR 重建優(yōu)良率達(dá)到53%。

IMR 重建算法降低管電壓同時(shí)又使降低對(duì)比劑用量成為可能，由于管電壓下降，X 射線會(huì)因光電效應(yīng)增加而大比例被碘吸收，有利于監(jiān)測(cè)血管中的碘對(duì)比劑濃度[14]。本研究顯示，80 kV 掃描時(shí)CNR 較120 kV時(shí)無(wú)明顯下降，歸功于管電壓下降導(dǎo)致血管中對(duì)比劑CT 值升高，NAKAURA 等[14]報(bào)道在80 kV 條件下可以將對(duì)比劑用量降至50%。

本研究有一些不足：①由于豬不能配合屏氣，呼吸運(yùn)動(dòng)偽影影響圖像質(zhì)量，這也是部分IMR 重建血管不能滿足診斷的主要原因，今后在成人研究中可加呼吸門(mén)控嘗試進(jìn)一步降低管電壓；②本研究建立在正常豬冠狀動(dòng)脈模型上，未包括冠狀動(dòng)脈病變的模型。

綜上所述，在冠狀動(dòng)脈CTA 檢查中，應(yīng)用IMR重建技術(shù)可明顯降低噪聲、提高SNR 及CNR、提高圖像質(zhì)量，在80 kV 管電壓條件下圖像質(zhì)量仍好于常規(guī)條件（120 kV 管電壓）下的FBP 及iDose4。